CN109698787A - 一种在物联网关中实现边缘控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在物联网关中实现边缘控制的方法。所述方法设置有由云服务器和物联网关组成的体系架构；所述云服务器用于物联网关、被控制设备和传感器的配置管理、状态监测和远程控制；所述物联网关用于实现控制过程中的协议转换、数据解析和边缘控制功能，所述物联网关包括控制器部分和采集器部分，所述控制器部分包括控制配置器、控制调度器、输入器、控制机、执行器。该方法通过在物联网关内置参数化的控制算法，将控制逻辑置于离被控设备较近的物联网关中，通过配置手段动态绑定具体设备并调用不同控制指令，从而在物联网关的基础上实现边缘侧的通用设备控制，该方法可方便对设备实时控制和远程控制，可扩展性大、远程控制方便。

Description

一种在物联网关中实现边缘控制的方法

技术领域

本发明涉及物联网设备控制技术，具体涉及一种将控制逻辑置于离被控设备较近的物联网关中、在物联网关的基础上实现边缘侧的通用设备控制的方法，该方法可方便对设备实时控制和远程控制，可扩展性大、远程控制方便。

背景技术

工业物联网旨在将传统工业提升到网络化、智能化的新阶段，其应用具有实时性、开放性等特点，其原理是将不同的设备机器联网，通过其上的传感器或控制器分别获取设备工况状态或环境信息，分析优化设备工效能耗，进行设备管理和反馈控制；如何在工业物联网中方便有效地实现对设备的远程控制，成为一个关键问题，传统的设备控制技术载体，要么是软硬件需专门开发且紧密绑定设备的单片机控制器，要么是硬件通用但控制软件需专门开发的PLC，或者是也需定制开发控制算法的上位控制机，该类工业互联网环境下设备的远程控制存在如下不足：

1、设备控制算法固化，可扩展性差，事先针对特定设备编写控制算法，控制算法固化，一旦设备的控制逻辑有变动或有新的设备接入则需要重新编写控制程序，因此难以适应工业物联网的动态应用需求；

2、难以实现多设备的远程协同控制，兼容性差，传统通过上位机发送控制指令实现对单台或有限区域内的多台设备进行控制，通常为局域网内闭环控制，在工业物联网开放环境下，设备具有离散性、动态性(随时加入新类型设备)，如何针对海量传感器和设备，在云端远程协同控制设备是当前面临的挑战；

3、难以保证设备远程控制的连续性，目前工业物联网中对于设备远程控制的方式是由云服务器发送设备控制指令到设备的控制器，如单片机控制器或PLC或控制机，实现对具体某台设备的控制，这种控制方式交互性差，难以实现对设备的连续远程调控。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种在物联网关中实现边缘控制的方法，该方法通过在物联网关中植入设备控制器的功能，降低工业物联监控网络构建成本，同时，在物联网关内置参数化的控制算法，通过灵活的配置手段实现具体设备的动态绑定和相关场景的适应性，免除设备控制程序的编写，降低网络控制实施难度，另外也可载入运行自编写的遵循预定义规约的控制算法实现设备的个性化控制。

本发明中所述物联网关也称为边缘控制物联网关。

为了解决上述现有技术问题,本发明的技术方案是:

本发明一种在物联网关中实现边缘控制的方法，所述方法设置有由云服务器和物联网关组成的体系架构，所述云服务器用于物联网关、被控制设备和传感器的配置管理、状态监测和远程控制，所述物联网关用于实现控制过程中的协议转换、数据解析和边缘控制功能，所述物联网关包括控制器部分和采集器部分，所述控制器部分包括控制配置器、控制调度器、输入器、控制机、执行器，所述物联网关内置参数化的控制算法，通过配置手段动态绑定具体设备并调用不同控制指令。

所述云服务器至少包括以下功能模块：

系统配置，设置系统运行的相关参数，包括心跳时间、SMS接口、email接口、callback接口、微信接口、以及消息服务器的地址和账号和密码；

消息服务器，提供消息队列的订阅、发布及管理服务，支持MQTT通信方式，所述消息服务器优选为EMQ或ActiveMQ或阿里MQ消息服务器；

消息发布器，负责封装相应指令并以消息形式发布；

消息订阅器，负责接收消息并解包内容，发送给对应的功能模块；

设备状态监测，负责接收心跳包，并监测网关、采集器及采集任务是否异常，如果异常，则通过告警器发送告警信息，并实时更新状态图；

告警器，根据用户配置的告警方式为用户发送告警内容，所述告警分级别，不同级别其告警策略也不同；

状态图，以节点图的方式展示某个网关的当前状态，通过右键图上的节点可以对网关进行相应的配置，所述配置至少包括采集频率、报警阈值；

配置器，负责同步物联网关的配置信息，还负责远程配置物联网关的配置信息，还负责更新控制函数的版本库，所述配置信息至少包括采集频率、报警阈值；

控制器，负责物联网关的管理和向物联网关发送控制命令；

日志管理，所述日志包括安全日志和设备日志，所述安全日志主要记录用户登录、外部攻击事件，所述设备日志主要记录设备异常、设备恢复事件；

工程管理，用于企业用户登录管理自己的工程，通过地图显示物联网关的位置。

所述物联网关的控制配置器用于为用户提供对各种控制模块的配置界面，并将配置数据写入到数据库；

所述物联网关的控制调度器用于作为控制机、输入器和执行器之间的通信桥梁，负责控制机的调度执行；

所述物联网关的输入器用于将实参表达式进行数据映射解析，并输出浮点型数组，还用于将形参格式化为浮点型数组，所述形参为函数的配置参数；

所述物联网关的控制机用于从调度机读取实参、形参，并调用执行对应的控制代码；

所述物联网关的执行机负责接收输出参数和执行任务表达式，并将任务表达式的结果转换为控制指令执行。

所述物联网关的采集器部分包括以下功能模块：

采集配置器；

数据采集器，负责管理和调度采集线程进行数据采集、解析、过滤、汇聚；

采集控制器，负责调度数据采集器，并接收数据采集器的数据然后根据用户配置的数据接口进行转发。

所述采集配置器负责配置采集器部分的相关信息，所述采集配置器包括以下功能模块：

网关配置，包括基础信息配置、及用于心跳时间间隔的心跳配置、及用于消息服务器地址和用户名和密码的消息服务器配置，所述基础信息配置至少包括配置控制器的AppID、序列号、版本号；

数据转发接口配置，包括Socket服务器配置、MQTT服务器配置、InfluxDB服务器配置、API接口参数配置，所述Socket服务器配置用于配置TCPServer服务器参数，所述服务器参数至少包括IP、端口和app_key，所述MQTT服务器配置用于配置MQTT服务器地址、端口、用户名、密码、订阅ID、发布ID，所述InfluxDB服务器配置用于配置接收数据的InfluxDB数据库地址、用户名、密码，所述API接口参数配置用于配置服务器提供的数据接收API地址及app_key；

采集器参数配置，包括配置采集器硬件连接接口、传输协议及地址的采集器配置、及在采集器下面配置对应采集任务的任务配置；

数据采集，包括负责数据内容的数据采集、及用于数据解析规则配置的数据解析及存储策略；

可视化配置，包括图表类型配置、及用于根据当前的指标选择对应图表的图表配置、及面板配置，一个面板可以包含多个图表，并可实现数据的实时刷新，所述图表类型配置用于配置指针图、线状图、KPI三种图形的风格；

系统状态，包括运行状态子模块，所述运行状态子模块用于显示设备当前的运行状态，所述运行状态包括系统当前运行状态信息、系统当前时间、设备运行时间、当前终端连接数；

安全设置，包括用于修改密码和登录限制的修改密码子模块、及设置IP白名单和绑定MAC地址的登录限制子模块、及系统日志子模块，所述系统日志子模块用于显示设备的历史运行情况，所述历史运行情况包括时间、类型、内容；

报警配置，包括报警策略配置、及短信提醒、及邮件提醒、及Callback、及微信公众号，所述报警策略配置包括报警策略的管理和根据表达式进行报警，所述报警至少分为异常报警、定时提醒，所述短信提醒用于配置接收报警短信的手机号以及报警短信模版设置，所述邮件提醒用于配置接收报警邮件的邮箱号以及报警邮件模版设置；

系统工具，包括正则表达式校验工具、在线Cron表达式生成器。

所述物联网关内置参数化的控制算法，所述控制算法的规约为：包含两个输入参数和一个输出参数，所述输入参数和输出参数为双精度浮点型数组，每个所述控制算法实现为一个独立线程，即一个控制机。

所述控制算法的规约接口如下：

Struct Controller{

float inputArg[]；

float inputFunArg[]；

float oarg[]；

int ID；

int type；

}Ctrl[]。

所述控制算法还包括输入模块接口、执行模块接口。

本发明一种在物联网关中实现边缘控制的方法,其有益效果有：

1、将控制逻辑置于离被控设备较近的物联网关中，在物联网关的基础上实现边缘侧的通用设备控制；

2、借助物联网关将不同网络互联的能力，既可以通过在物联网关上设置的触发条件实现对设备的实时控制，也可以接收由云服务器发出的远程控制命令，由物联网关调用本地算法对终端设备进行协同控制和过程控制；

3、通过在物联网关中植入设备控制器的功能，降低工业物联监控网络构建成本；

4、云服务器发出独立于设备的远程控制任务命令；

5、在物联网关中将云服务器的控制任务命令转换为一系列具体的设备控制指令；

6、在物联网关中基于反转机制实现控制算法调度框架，并定义统一的控制算法接口规约；

7、多设备的协同控制可由物联网关就近实现；

8、设备的过程控制可由物联网关中的控制算法实施；

9、物联网关内置参数化的控制算法，通过参数的配置实现场景设备相关的适应性控制，免除设备控制程序的编写，降低网络控制实施的难度；

10、网关也可载入运行自编写的控制算法实现设备的个性化控制，自编写的控制算法遵循预先定义好的规约接口。

附图说明

图1，为本发明一种在物联网关中实现边缘控制的方法的体系架构图；

图2，为本发明一种在物联网关中实现边缘控制的方法的物联网关的体系结构图；

图3，为本发明一种在物联网关中实现边缘控制的方法的云服务器的框架图；

图4，为本发明一种在物联网关中实现边缘控制的方法的物联网关的框架图；

图5，为本发明一种在物联网关中实现边缘控制的方法的设备控制流程图；

图6，为本发明一种在物联网关中实现边缘控制的方法的物联网关的控制调度器的执行流程图；

图7，为本发明一种在物联网关中实现边缘控制的方法的物联网关的控制机的采集控制时序图；

图8，为本发明一种在物联网关中实现边缘控制的方法的物联网关的数据采集器的数据采集流程图；

图9，为本发明一种在物联网关中实现边缘控制的方法的物联网关的输入模块接口的流程图；

图10，为本发明一种在物联网关中实现边缘控制的方法的物联网关的执行模块接口的流程图；

图11，为本发明实施例的控制配置器的设备连接接口配置图；

图12，为本发明实施例的控制配置器的执行任务参数配置图；

图13，为本发明实施例的控制配置器的控制算法配置图；

图14，为本发明实施例的控制配置器的控制机参数配置图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

实施例

一种在物联网关中实现边缘控制的方法，采用如图1所示的体系架构，该方法设置有云服务器和多个物联网关，所述云服务器用于物联网关、被控制设备和传感器的配置管理、状态监测和远程控制，所述物联网关用于实现控制过程中的协议转换、数据解析和边缘控制功能。

如图2，所述物联网关包括控制器部分和采集器部分，所述控制器部分包括控制配置器、控制调度器、输入器、控制机、执行器，所述物联网关内置参数化的控制算法，通过配置手段动态绑定具体设备并调用不同控制指令。

如图3，是所述云服务器的框架图，所述云服务器至少包括以下功能模块：

系统配置，设置系统运行的相关参数，包括心跳时间、SMS接口、email接口、callback接口、微信接口、以及消息服务器的地址和账号和密码；

消息服务器，提供消息队列的订阅、发布及管理服务，支持MQTT通信方式，所述消息服务器优选为EMQ或ActiveMQ或阿里MQ消息服务器；

消息发布器，负责封装相应指令并以消息形式发布；

消息订阅器，负责接收消息并解包内容，发送给对应的功能模块；

设备状态监测，负责接收心跳包，并监测网关、采集器及采集任务是否异常，如果异常，则通过告警器发送告警信息，并实时更新状态图；

告警器，根据用户配置的告警方式为用户发送告警内容，所述告警分级别，不同级别其告警策略也不同；

状态图，以节点图的方式展示某个网关的当前状态，通过右键图上的节点可以对网关进行相应的配置，所述配置至少包括采集频率、报警阈值；

配置器，负责同步物联网关的配置信息，还负责远程配置物联网关的配置信息，还负责更新控制函数的版本库，所述配置信息至少包括采集频率、报警阈值；

控制器，负责物联网关的管理和向物联网关发送控制命令；

日志管理，所述日志包括安全日志和设备日志，所述安全日志主要记录用户登录、外部攻击事件，所述设备日志主要记录设备异常、设备恢复事件；

工程管理，用于企业用户登录管理自己的工程，通过地图显示物联网关的位置。

如图4，是所述物联网关的框架图，如图5，为所述物联网关的设备控制流程，所述物联网关的控制配置器用于为用户提供对各种控制模块的配置界面，并将配置数据写入到数据库；

所述物联网关的控制调度器用于作为控制机、输入器和执行器之间的通信桥梁，负责控制机的调度执行，所述物联网关的控制调度器的执行流程如图6所示；

所述物联网关的输入器用于将实参表达式进行数据映射解析，并输出浮点型数组，还用于将形参格式化为浮点型数组，所述形参为函数的配置参数；

所述物联网关的控制机用于从调度机读取实参、形参，并调用执行对应的控制代码，所述控制机的采集控制时序如图7所示；

所述物联网关的执行机负责接收输出参数和执行任务表达式，并将任务表达式的结果转换为控制指令执行。

如图4，所述物联网关的采集器部分包括以下功能模块：

采集配置器；

数据采集器，负责管理和调度采集线程进行数据采集、解析、过滤、汇聚，该数据采集器的数据采集流程如图8所示；

采集控制器，负责调度数据采集器，并接收数据采集器的数据然后根据用户配置的数据接口进行转发。

所述采集配置器负责配置采集器部分的相关信息，所述采集配置器包括以下功能模块：

网关配置，包括基础信息配置、及用于心跳时间间隔的心跳配置、及用于消息服务器地址和用户名和密码的消息服务器配置，所述基础信息配置至少包括配置控制器的AppID、序列号、版本号；

数据转发接口配置，包括Socket服务器配置、MQTT服务器配置、InfluxDB服务器配置、API接口参数配置，所述Socket服务器配置用于配置TCPServer服务器参数，所述服务器参数至少包括IP、端口和app_key，所述MQTT服务器配置用于配置MQTT服务器地址、端口、用户名、密码、订阅ID、发布ID，所述InfluxDB服务器配置用于配置接收数据的InfluxDB数据库地址、用户名、密码，所述API接口参数配置用于配置服务器提供的数据接收API地址及app_key；

采集器参数配置，包括配置采集器硬件连接接口、传输协议及地址的采集器配置、及在采集器下面配置对应采集任务的任务配置；

数据采集，包括负责数据内容的数据采集、及用于数据解析规则配置的数据解析及存储策略；

可视化配置，包括图表类型配置、及用于根据当前的指标选择对应图表的图表配置、及面板配置，一个面板可以包含多个图表，并可实现数据的实时刷新，所述图表类型配置用于配置指针图、线状图、KPI三种图形的风格；

系统状态，包括运行状态子模块，所述运行状态子模块用于显示设备当前的运行状态，所述运行状态包括系统当前运行状态信息、系统当前时间、设备运行时间、当前终端连接数；

安全设置，包括用于修改密码和登录限制的修改密码子模块、及设置IP白名单和绑定MAC地址的登录限制子模块、及系统日志子模块，所述系统日志子模块用于显示设备的历史运行情况，所述历史运行情况包括时间、类型、内容；

报警配置，包括报警策略配置、及短信提醒、及邮件提醒、及Callback、及微信公众号，所述报警策略配置包括报警策略的管理和根据表达式进行报警，所述报警至少分为异常报警、定时提醒，所述短信提醒用于配置接收报警短信的手机号以及报警短信模版设置，所述邮件提醒用于配置接收报警邮件的邮箱号以及报警邮件模版设置；

系统工具，包括正则表达式校验工具、在线Cron表达式生成器。

所述物联网关内置参数化的控制算法，所述控制算法的规约为：包含两个输入参数和一个输出参数，所述输入参数和输出参数为双精度浮点型数组，每个所述控制算法实现为一个独立线程，即一个控制机。

所述控制算法的规约接口如下：

Struct Controller{

float inputArg[]；

float inputFunArg[]；

float oarg[]；

int ID；

int type；

}Ctrl[]。

所述控制算法还包括输入模块接口、执行模块接口，如图9，为所述控制算法的输入模块接口的流程图，图中，1001～1006为采集任务ID，23～41为各任务对应的最新采集数据；

如图10，为所述控制算法的执行模块接口的流程图。

上述控制机父类如下：

上述控制机实现如下：

本实施例的控制配置器的设备连接接口配置如图11所示，本实施例的控制配置器的执行任务参数配置如图12所示，本实施例的控制配置器的控制算法配置如图13所示，本实施例的控制配置器的控制机参数配置如图14所示。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作一般技术手段的增减或替换，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (8)

1.一种在物联网关中实现边缘控制的方法，其特征在于，所述方法设置有由云服务器和物联网关组成的体系架构；

所述云服务器用于物联网关、被控制设备和传感器的配置管理、状态监测和远程控制；

所述物联网关用于实现控制过程中的协议转换、数据解析和边缘控制功能，所述物联网关包括控制器部分和采集器部分，所述控制器部分包括控制配置器、控制调度器、输入器、控制机、执行器；

所述物联网关内置参数化的控制算法，通过配置手段动态绑定具体设备并调用不同控制指令。

2.根据权利要求1所述的一种在物联网关中实现边缘控制的方法，其特征在于，所述云服务器至少包括以下功能模块：

系统配置，设置系统运行的相关参数，包括心跳时间、SMS接口、email接口、callback接口、微信接口、以及消息服务器的地址和账号和密码；

消息服务器，提供消息队列的订阅、发布及管理服务，支持MQTT通信方式；

消息发布器，负责封装相应指令并以消息形式发布；

消息订阅器，负责接收消息并解包内容，发送给对应的功能模块；

设备状态监测，负责接收心跳包，并监测网关、采集器及采集任务是否异常，如果异常，则通过告警器发送告警信息，并实时更新状态图；

告警器，根据用户配置的告警方式为用户发送告警内容，所述告警分级别，不同级别其告警策略也不同；

状态图，以节点图的方式展示某个网关的当前状态，通过右键图上的节点可以对网关进行相应的配置，所述配置至少包括采集频率、报警阈值；

配置器，负责同步物联网关的配置信息，还负责远程配置物联网关的配置信息，还负责更新控制函数的版本库，所述配置信息至少包括采集频率、报警阈值；

控制器，负责物联网关的管理和向物联网关发送控制命令。

3.根据权利要求1所述的一种在物联网关中实现边缘控制的方法，其特征在于，所述物联网关的控制调度器用于作为控制机、输入器和执行器之间的通信桥梁，负责控制机的调度执行；

所述物联网关的输入器用于将实参表达式进行数据映射解析，并输出浮点型数组，还用于将形参格式化为浮点型数组，所述形参为函数的配置参数；

所述物联网关的控制机用于从调度机读取实参、形参，并调用执行对应的控制代码；

所述物联网关的执行机负责接收输出参数和执行任务表达式，并将任务表达式的结果转换为控制指令执行。

4.根据权利要求1所述的一种在物联网关中实现边缘控制的方法，其特征在于，所述物联网关的采集器部分包括以下功能模块：

数据采集器，负责管理和调度采集线程进行数据采集、解析、过滤、汇聚；

采集控制器，负责调度数据采集器，并接收数据采集器的数据然后根据用户配置的数据接口进行转发。

5.根据权利要求4所述的一种在物联网关中实现边缘控制的方法，其特征在于，所述采集配置器负责配置采集器部分的相关信息，所述采集配置器包括以下功能模块：

网关配置，包括基础信息配置、及用于心跳时间间隔的心跳配置、及用于消息服务器地址和用户名和密码的消息服务器配置，所述基础信息配置至少包括配置控制器的AppID、序列号、版本号；

数据转发接口配置，包括Socket服务器配置、MQTT服务器配置、InfluxDB服务器配置、API接口参数配置，所述Socket服务器配置用于配置TCPServer服务器参数，所述服务器参数至少包括IP、端口和app_key，所述MQTT服务器配置用于配置MQTT服务器地址、端口、用户名、密码、订阅ID、发布ID，所述InfluxDB服务器配置用于配置接收数据的InfluxDB数据库地址、用户名、密码，所述API接口参数配置用于配置服务器提供的数据接收API地址及app_key；

采集器参数配置，包括配置采集器硬件连接接口、传输协议及地址的采集器配置、及在采集器下面配置对应采集任务的任务配置；

数据采集，包括负责数据内容的数据采集、及用于数据解析规则配置的数据解析及存储策略；

可视化配置，包括图表类型配置、及用于根据当前的指标选择对应图表的图表配置、及面板配置，一个面板可以包含多个图表，并可实现数据的实时刷新，所述图表类型配置用于配置指针图、线状图、KPI三种图形的风格；

系统状态，包括运行状态子模块，所述运行状态子模块用于显示设备当前的运行状态，所述运行状态包括系统当前运行状态信息、系统当前时间、设备运行时间、当前终端连接数；

安全设置，包括用于修改密码和登录限制的修改密码子模块、及设置IP白名单和绑定MAC地址的登录限制子模块、及系统日志子模块，所述系统日志子模块用于显示设备的历史运行情况，所述历史运行情况包括时间、类型、内容；

报警配置，包括报警策略配置、及短信提醒、及邮件提醒、及Callback、及微信公众号，所述报警策略配置包括报警策略的管理和根据表达式进行报警，所述报警至少分为异常报警、定时提醒，所述短信提醒用于配置接收报警短信的手机号以及报警短信模版设置，所述邮件提醒用于配置接收报警邮件的邮箱号以及报警邮件模版设置；

系统工具，包括正则表达式校验工具、在线Cron表达式生成器。

6.根据权利要求1所述的一种在物联网关中实现边缘控制的方法，其特征在于，所述物联网关内置参数化的控制算法，所述控制算法的规约为：包含两个输入参数和一个输出参数，所述输入参数和输出参数为双精度浮点型数组，每个所述控制算法实现为一个独立线程，即一个控制机。

7.根据权利要求6所述的一种在物联网关中实现边缘控制的方法，其特征在于，所述控制算法的规约接口如下：

Struct Controller{

float inputArg[]；

float inputFunArg[]；

float oarg[]；

int ID；

int type；

}Ctrl[]。

8.根据权利要求6所述的一种在物联网关中实现边缘控制的方法，其特征在于，所述控制算法还包括输入模块接口、执行模块接口。